CN114814809A - 一种基于毫米波雷达的马桶控制方法、系统以及马桶 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于毫米波雷达的马桶控制方法、系统以及马桶，方法包含以下步骤：响应于马桶盖关闭时，将毫米波雷达的工作方式切换为FSK模式；发射FSK调频信号并接收反射回的FSK调频信号，判断是否有运动的目标靠近马桶，若是则将所述毫米波雷达的工作方式切换为FMCW模式；发射FMCW调频信号并接收反射回的FMCW调频信号，判断是否有静止或微小移动的目标处于马桶感应区，若是则输出开盖指令。本发明采用先FSK模式再采用FMCW模式，与单FSK或单FMCW方案相比，提高可靠性降低误判率，避免单FSK方案的高误触和单FMCW的响应不一致。

Description

一种基于毫米波雷达的马桶控制方法、系统以及马桶
技术领域
本发明涉及马桶控制领域，具体指有一种基于毫米波雷达的马桶控制方法、系统以及马桶。
背景技术
智能马桶能够实现对马桶盖的无接触开盖、开圈，其原理基于人体识别，当人体靠近或离去时，智能马桶做出相应的动作指令。为了准确地识别人体靠近或离开，智能马桶设置有感应范围，目标需要在感应范围内才发出开盖指令。
现有的智能马桶一般采用毫米波雷达实现上述功能，其多采用一发一收的设计，波形一般用FSK(Frequency Shift Keying，频移键控)或者FMCW(Frequency ModulatedContinuous Wave，调频连续波)。采用单FSK或单FMCW的方案具有以下缺点：
FSK雷达：1、只能检测运动物体，不能检测静止物体，无法持续检测人体微动；2、距离为与雷达的径向距离，无法控制左右两边的感应范围。
FMCW雷达：1、无法精确测量距离；2、受人员的身高体型影响，导致不同人的开盖响应不一致。
针对上述的现有技术存在的问题设计一种基于毫米波雷达的马桶控制方法、系统以及马桶是本发明研究的目的。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明在于提供一种基于毫米波雷达的马桶控制方法、系统以及马桶，能够有效解决上述现有技术存在的问题。
本发明的技术方案是：
一种基于毫米波雷达的马桶控制方法，包含以下步骤：
响应于马桶盖关闭时，将毫米波雷达的工作方式切换为FSK模式；
发射FSK调频信号并接收反射回的FSK调频信号，判断是否有运动的目标靠近马桶，若是则将所述毫米波雷达的工作方式切换为FMCW模式；
发射FMCW调频信号并接收反射回的FMCW调频信号，判断是否有静止或微小移动的目标处于马桶感应区，若是则输出开盖指令。
进一步地，所述判断是否有运动的目标靠近马桶包括：
对所述反射回的FSK调频信号进行FFT运算，根据相位差计算目标的距离，当所述目标的距离处于第一阈值区间时，判定为目标靠近马桶。
进一步地，所述第一阈值区间为0－0.4m。
进一步地，所述判断是否有静止或微小移动的目标处于马桶感应区包括：
对N帧所述反射回的FMCW调频信号进行二维FFT运算，计算得到第一个距离维，计算第一个距离维的幅值方差；
若所述幅值方差大于第二阈值，判定为所述目标处于马桶感应区。
进一步地，定义所述毫米波雷达的帧率为M，N＝0.2M－1M之间的正整数。
进一步地，所述第二阈值为5000－15000。
进一步地，所述判断是否有静止或微小移动的目标处于马桶感应区，若是则输出开盖指令之后，执行以下步骤：
若否，则将毫米波雷达的工作方式切换为FSK模式。
进一步地，所述判断是否有静止或微小移动的目标处于马桶感应区包括：
对N帧所述反射回的FMCW调频信号进行二维FFT运算，计算得到第一个距离维，计算第一个距离维的幅值方差；
若所述幅值方差小于第三阈值，判定为马桶感应区不存在目标，所述第三阈值为800－1200。
进一步提供一种基于毫米波雷达的马桶控制系统，包括：
FSK切换模块，用于响应于马桶盖关闭时，将毫米波雷达的工作方式切换为FSK模式；
FMCW切换模块，用于发射FSK调频信号并接收反射回的FSK调频信号，判断是否有运动的目标靠近马桶，若是则将所述毫米波雷达的工作方式切换为FMCW模式；
判断模块，用于发射FMCW调频信号并接收反射回的FMCW调频信号，判断是否有静止或微小移动的目标处于马桶感应区，若是则输出开盖指令。
进一步提供一种基于毫米波雷达的马桶，包括马桶，所述马桶设置有马桶盖，包括所述的一种基于毫米波雷达的马桶控制系统，所述马桶盖通过所述一种基于毫米波雷达的马桶控制系统控制。
因此，本发明提供以下的效果和/或优点：
本发明通过毫米波雷达的一发一收制式，采用先FSK模式判断是否有活动的目标靠近，再采用FMCW模式判断目标是否静止与感应区，从人员的接近和微动检测，进而判定人员是否需要使用马桶并控制马桶圈的开启。与单 FSK或单FMCW方案相比，提高可靠性降低误判率，避免单FSK方案的高误触和单FMCW的响应不一致。
本申请只需要一发一收毫米波即可实现，无需复杂的天线设计。
应当明白，本发明的上文的概述和下面的详细说明是示例性和解释性的，并且意在提供对如要求保护的本发明的进一步的解释。
附图说明
图1为本流程示意图。
图2为逻辑示意图。
图3为马桶感应区的示意图。
具体实施方式
为了便于本领域技术人员理解，现将实施例结合附图对本发明的结构作进一步详细描述：应了解到，在本实施例中所提及的步骤，除特别说明其顺序的，均可依实际需要调整其前后顺序，甚至可同时或部分同时执行，
参考图1－2，一种基于毫米波雷达的马桶控制方法，包含以下步骤：
S1，响应于马桶盖关闭时，将毫米波雷达的工作方式切换为FSK模式；
本实施例的步骤1从马桶盖关闭后开始工作，FSK模式下，具体为毫米波雷达向四周发送频率差为20MHz的FSK调频信号。本实施例中，就本文使用的而言，术语“FSK模式”可被认为与以下术语同义和/或被称为：FSK 调制从而产生FSK信号，最简单的方法是根据输入的数据比特是0还是1，在两个独立的振荡器中切换，从而交错产生两种不同频率的波形。
S2，发射FSK调频信号并接收反射回的FSK调频信号，判断是否有运动的目标靠近马桶，若是则将所述毫米波雷达的工作方式切换为FMCW模式；
通过接收反射回的FSK调频信号，可以计算得到活动的目标与雷达之间的距离变化，从而得到活动的目标当前与雷达之间的距离。其中，计算当前目标与雷达之间的距离属于现有技术。
由于目标(例如人体)靠近马桶的过程中，目标往往是活动的从而靠近马桶，本实施例通过雷达的FSK模式可以计算出运动目标的距离后，即可判断是否有运动的目标靠近马桶，如果有目标靠近马桶，则目标在靠近马桶后往往会开始静止或者轻微活动，此时雷达的FSK模式无法继续感知目标。因此，本步骤将所述毫米波雷达的工作方式切换为FMCW模式。
S3，发射FMCW调频信号并接收反射回的FMCW调频信号，判断是否有静止或微小移动的目标处于马桶感应区，若是则输出开盖指令。
本实施例中，就本文使用的而言，术语“FMCW模式”可被认为与以下术语同义和/或被称为：FMCW模式主要通过发送和接收连续毫米波，把回波信号和本振信号混频，并利用混频探测技术来测量发送和接收的频率差异，再通过频率差换算出目标物的距离。具体地说，毫米波击中目标物后被反射，而反射会影响毫米波的频率——如果目标物向雷达靠近，频率会升高；如果目标物向雷达远离，则频率会降低。当反射波返回到探测器，与发射时的频率相比，就能测量两种频率之间的差值，从而计算出物体的距离信息。
通过步骤S2本实施例初步确定了有目标靠近马桶，接下来，通过步骤S3 本实施例可以精确地判断目标是否处在马桶感应区。如图1所示，马桶感应区一般是指马桶的坐盆的前方40cm以内，以及马桶侧面20cm以内。当目标靠近马桶并且驻留在马桶感应区时，则判定为有人体需要使用马桶，进而做出相应的指令。本实施例通过雷达在FMCW模式下发射FMCW调频信号并接收反射回的FMCW调频信号，从而计算出静止的目标与马桶之间的距离，若处于马桶感应区则输出开盖指令。
因此，本实施例通过毫米波雷达的一发一收制式，采用先FSK模式判断是否有活动的目标靠近，再采用FMCW模式判断目标是否静止与感应区，从人员的接近和微动检测，进而判定人员是否需要使用马桶并控制马桶圈的开启。与单FSK或单FMCW方案相比，提高可靠性降低误判率，避免单FSK 方案的高误触和单FMCW的响应不一致。
下面介绍一些本申请的具体或优化方向。
进一步地，所述判断是否有运动的目标靠近马桶包括：
对所述反射回的FSK调频信号进行FFT运算，根据相位差计算目标的距离，当所述目标处于马桶前侧的距离在第一阈值区间时，判定为目标靠近马桶。所述第一阈值区间为0－0.4m。例如本申请中毫米波雷达的安装位置距离马桶前端的距离为0.7m，则当毫米波雷达感应到的与目标之间的距离为 0.7－1.1m时，判定为目标靠近马桶。
例如本实施例中，反射回的信号为发射信号的时延复本，而回波时延与差拍频率成线性关系，通过差拍频率即可计算回波时延，从而计算出目标距离。
参考图3，本申请进一步通过限定第一阈值区间作为目标靠近马桶的条件，这是因为，申请人发现目标走近马桶的过程中往往是活动的，只有当目标与马桶前侧的距离为0－0.4m时，目标的移动速度大幅降低并且逐渐转换为静止或者微活动。通过第一阈值区间可以有效筛选出目标是否靠近马桶，减少误判。
进一步地，所述判断是否有静止或微小移动的目标处于马桶感应区包括：
对N帧所述反射回的FMCW调频信号进行二维FFT运算，计算得到第一个距离维，计算第一个距离维的幅值方差；定义所述毫米波雷达的帧率为M，N＝0.2M－1M之间的正整数，所述第二阈值为5000－15000；
若所述幅值方差大于第二阈值，判定为所述目标处于马桶感应区。
本实施例中，毫米波雷达的帧率M＝20，则N为4－20之间的正整数，进一步地，本申请中N为10，第二阈值为5000，在其他实施例中第二阈值也可以是10000或者15000。其中，第二阈值与计算的硬件相关，基于硬件的算力等，不同的硬件对不同的第二阈值的限定不同。
通过本步骤，对最近的历史10帧中的每个FMCW调频信号做二维FFT 运算，得到第一距离维的FFT数据，然后通过过去10帧的第一距离维的FFT 数据计算第一距离维的幅值方差，，若方差大于5000，则认为感应区存在确定的目标。此时即可输出开盖指令。
进一步地，所述判断是否有静止或微小移动的目标处于马桶感应区，若是则输出开盖指令之后，执行以下步骤：
S4，若否，则将毫米波雷达的工作方式切换为FSK模式。
所述判断是否有静止或微小移动的目标处于马桶感应区包括：
对N帧所述反射回的FMCW调频信号进行二维FFT运算，计算得到第一个距离维，计算第一个距离维的幅值方差；
若所述幅值方差小于第三阈值，判定为马桶感应区不存在目标，所述第三阈值为800－1200。
本步骤中，由于马桶中毫米波雷达的工作流程是连续的，当雷达在FMCW 模式下未检测到目标，则应当将毫米波雷达的工作方式切换回FSK模式。本步骤的对N帧所述反射回的FMCW调频信号进行二维FFT运算，计算得到第一个距离维，计算第一个距离维的幅值方差工作原理与上述步骤完全相同，不同的是如何判断目标不存在马桶感应区。本步骤通过所述幅值方差小于第三阈值判定为目标不存在马桶感应区。具体地，第三阈值为800－1200，本实施例中第三阈值为1000，当小于1000时，可以判定为雷达通过FMCW模式没有感应到静止或微小移动的目标处于马桶感应区。在其他实施例中，第三阈值也可以是800或者1200。此时，则将毫米波雷达的工作方式切换为FSK 模式，从而能够回到FSK模式重新判断是否有运动的目标靠近马桶。
实验数据
通过实施例一提供的方法进行测试，并与毫米波雷达的工作方式为单独的 FSK模式或者单独的FMCW模式相对比。
通过不同身高的测试人员随机的走动方式靠近马桶各多次并进行统计，实施例一提供的方法的马桶开盖的开盖率为99％，平均开盖时间为1.5s，平均误触率10％，单独的FSK模式的开盖率为95％，平均开盖时间为1.0s，平均误触率30％，单独的FMCW的开盖率为95％，平均开盖时间为2.1s，平均误触率20％。可见，实施例一提供的方法提高了马桶对不同身高的人员、不同走动方式靠近马桶的目标判定准确率从而提高开盖率，减少了误判开盖率。
实施例二
一种基于毫米波雷达的马桶控制系统，包括：
FSK切换模块，用于响应于马桶盖关闭时，将毫米波雷达的工作方式切换为FSK模式；
FMCW切换模块，用于发射FSK调频信号并接收反射回的FSK调频信号，判断是否有运动的目标靠近马桶，若是则将所述毫米波雷达的工作方式切换为FMCW模式；
判断模块，用于发射FMCW调频信号并接收反射回的FMCW调频信号，判断是否有静止或微小移动的目标处于马桶感应区，若是则输出开盖指令。
本实施例的工作原理与实施例一基本相同。在此不再展开赘述。
实施例三
一种基于毫米波雷达的马桶，包括马桶，所述马桶设置有马桶盖，包括实施例二所述的一种基于毫米波雷达的马桶控制系统，所述马桶盖通过所述一种基于毫米波雷达的马桶控制系统控制。
本实施例的工作原理与实施例一基本相同。在此不再展开赘述。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
应当注意的是，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的部件或步骤。位于部件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的部件。本发明可以借助于包括有若干不同部件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。单词第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序。可将这些单词解释为名称。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不应理解为必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

Claims (10)

1.一种基于毫米波雷达的马桶控制方法，其特征在于：包含以下步骤：
响应于马桶盖关闭时，将毫米波雷达的工作方式切换为FSK模式；
发射FSK调频信号并接收反射回的FSK调频信号，判断是否有运动的目标靠近马桶，若是则将所述毫米波雷达的工作方式切换为FMCW模式；
发射FMCW调频信号并接收反射回的FMCW调频信号，判断是否有静止或微小移动的目标处于马桶感应区，若是则输出开盖指令。
2.根据权利要求1所述的一种基于毫米波雷达的马桶控制方法，其特征在于：所述判断是否有运动的目标靠近马桶包括：
对所述反射回的FSK调频信号进行FFT运算，根据相位差计算目标的距离，当所述目标处于马桶前侧的距离在第一阈值区间时，判定为目标靠近马桶。
3.根据权利要求2所述的一种基于毫米波雷达的马桶控制方法，其特征在于：所述第一阈值区间为0－0.4m。
4.根据权利要求1所述的一种基于毫米波雷达的马桶控制方法，其特征在于：所述判断是否有静止或微小移动的目标处于马桶感应区包括：
对N帧所述反射回的FMCW调频信号进行二维FFT运算，计算得到第一个距离维，计算第一个距离维的幅值方差；
若所述幅值方差大于第二阈值，判定为所述目标处于马桶感应区。
5.根据权利要求4所述的一种基于毫米波雷达的马桶控制方法，其特征在于：定义所述毫米波雷达的帧率为M，N＝0.2M－1M之间的正整数。
6.根据权利要求4所述的一种基于毫米波雷达的马桶控制方法，其特征在于：所述第二阈值为5000－15000。
7.根据权利要求1所述的一种基于毫米波雷达的马桶控制方法，其特征在于：所述判断是否有静止或微小移动的目标处于马桶感应区，若是则输出开盖指令之后，执行以下步骤：
若否，则将毫米波雷达的工作方式切换为FSK模式。
8.根据权利要求7所述的一种基于毫米波雷达的马桶控制方法，其特征在于：所述判断是否有静止或微小移动的目标处于马桶感应区包括：
对N帧所述反射回的FMCW调频信号进行二维FFT运算，计算得到第一个距离维，计算第一个距离维的幅值方差；
若所述幅值方差小于第三阈值，判定为马桶感应区不存在目标，所述第三阈值为800－1200。
9.一种基于毫米波雷达的马桶控制系统，其特征在于：包括：
FSK切换模块，用于响应于马桶盖关闭时，将毫米波雷达的工作方式切换为FSK模式；
FMCW切换模块，用于发射FSK调频信号并接收反射回的FSK调频信号，判断是否有运动的目标靠近马桶，若是则将所述毫米波雷达的工作方式切换为FMCW模式；
判断模块，用于发射FMCW调频信号并接收反射回的FMCW调频信号，判断是否有静止或微小移动的目标处于马桶感应区，若是则输出开盖指令。
10.一种基于毫米波雷达的马桶，包括马桶，所述马桶设置有马桶盖，其特征在于：包括权利要求9所述的一种基于毫米波雷达的马桶控制系统，所述马桶盖通过所述一种基于毫米波雷达的马桶控制系统控制。
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